Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von Bauteilen aus keramischen
Werkstoffen und von Metallen mit keramischen Werkstoffen mittels Mikrowelle gemäß dem
Oberbegriff des Hauptanspruches.The invention relates to a method for connecting components made of ceramic
Materials and metals with ceramic materials using microwaves according to the
Preamble of the main claim.
Verfahren zum Verbinden von Bauteilen aus keramischen Werkstoffen mittels Mikrowelle sind
als Mikrowellen-Sintern oder Mikrowellen-Schweißen bekannt. Beide Verfahren basieren auf
einer Volumenheizung mittels Mikrowelle, wobei die Mikrowellen tief in das Volumen von
dielelektrischen, elektrisch isolierenden Materialien eindringen können. Mit steigender
Dielektrizitätszahl kann so eine große Feldverdichtung erreicht werden. Die Feldverteilung
kann zudem durch eine Hohlleiter-Resonatorstruktur gezielt verändert werden, so daß die sich
ausbildenden stehenden Wellen ein Feldmaximum an der Stelle der Materialeinbringung
bilden. Über dieses Feldmaximum kann Energie in das Material eingekoppelt werden.Methods for connecting components made of ceramic materials using a microwave are
known as microwave sintering or microwave welding. Both methods are based on
volume heating by means of a microwave, the microwaves being deep into the volume of
can penetrate the dielectric, electrically insulating materials. With increasing
A high field density can be achieved in this way. The field distribution
can also be specifically changed by a waveguide resonator structure, so that the
standing waves forming a field maximum at the point of material introduction
form. Energy can be injected into the material via this field maximum.
Aufgrund der geringen Absorption von Keramikwerkstoffen (z. B. Al₂O3,, Mullit Gordien′t
Porzellan, Si₃N₄), wobei die Oberflächenatome nicht direkt angeregt werden können, werden
längere Aufheizzeiten von mehreren Minuten benötigt. Die derart miteinander verbundenen
Bauteile weisen immer Eigenspannungen auf, die im Fall der Verbindung von zwei
Werkstoffen mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten, wie z. B. Keramik mit
Metall, besonders hoch sind.Due to the low absorption of ceramic materials (e.g. Al₂O 3 ,, mullite Gordien′t porcelain, Si₃N₄), whereby the surface atoms cannot be directly excited, longer heating times of several minutes are required. The components connected in this way always have residual stresses which, in the case of the connection of two materials with different coefficients of thermal expansion, such as. B. ceramics with metal are particularly high.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung von Metall/Keramik-
und Keramik/Keramik-Verbindungen anzugeben, welches das Entstehen von
Eigenspannungen an der Verbindungsstelle stark reduziert und damit die Qualität der
Verbindung erhöht und gleichzeitig einfach in der Anwendung und gebrauchsvorteilhaft ist.The object of the present invention is to provide a method for producing metal / ceramic
and ceramic / ceramic compounds to indicate the emergence of
The internal stresses at the connection point are greatly reduced and thus the quality of the
Connection increased and at the same time easy to use and advantageous in use.
Diese Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.This object is solved by the features of claim 1.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird vor dem eigentlichen Verbindungsvorgang
zunächst zwischen den zu verbindenden Bauteilen ein Luftspalt eingestellt. Durch die hohe
Feldkonzentration in dem Keramikmaterial durch das Einkoppeln der Mikrowelle und durch die
zusätzliche Verstärkung der elektrischen Feldstärke durch das Verhältnis der
Dielektrizitätszahlen zwischen dem Keramikmaterial und Luft (z. B. Al₂O₂/Luft = 9 : 1) im Spalt,
entsteht eine Feldüberhöhung, so daß bei erfüllter Resonanzbedingung der Resonatorstruktur
ein elektrischer Durchschlag erzeugt wird, der zur Ausbildung eines stationären Plasmas führt.
Dabei ist die im Plasma umgesetzte Leistung im Idealfall eines dünnen Spaltes gleich der
eingebrachten Mikrowellenleistung, was einer sehr hohen Leistungsdichte entspricht. Dies wird
häufig noch dadurch begünstigt, daß die zu fügenden Werkstoffe selbst nur eine geringe
Absorption gegenüber Mikrowellen haben. Durch diese schnelle Einstellung des stationären
Plasmazustandes heizen sich die Proben an den Fügeflächen sehr rasch auf, insbesondere
wenn der Wärmetransport in den zu fügenden Materialien gering ist, was bei
Keramikwerkstoffen häufig der Fall ist. Je höher die eingebrachte Mikrowellenleistung ist,
desto weniger Wärme kann auch in gut leitenden Materialien abgeleitet werden (z. B. bei
Verbindung Keramik-Metallwerkstoff) und desto schneller wird die erforderliche
Fügetemperatur erreicht. Die Energie des Plasmas und damit die Temperatur im Luftspalt ist
so groß, daß die zu fügenden Teile in Bruchteilen einer Sekunde auf Fügetemperatur erhitzt
werden. Die starke räumliche Begrenzung (Luftspalt) der hohen elektrischen Feldstärke sorgt
andererseits auch dafür, daß die Energie ausschließlich in der Verbindungszone umgesetzt
wird. Um eine schnelle Fügung zu realisieren, bleibt die stoßartige Plasmaerwärmung auf den
Bereich von wenigen Atomlagen begrenzt. Wenn die Aufheizung sehr schnell erfolgt, kann
durch die relativ träge Wärmeleitung vieler keramischen Werkstoffe kein nennenswerter Betrag
der Mikrowellenleistung dem Prozeß entzogen werden. Die Wärmedehnung beschränkt sich
damit auch auf den Bereich von wenigen Mikrometer Tiefe, so daß sogar bei spröden
keramischen Werkstoffen nur eine geringe Gefahr zur Ausbildung von Thermoschockrissen
besteht. Auch wird der Eigenspannungszustand auf einem niedrigen Niveau gehalten, da nur
geringe Volumina der Verbindungsbildung beteiligt sind. Durch die stark reinigende Wirkung
des Plasmas kann eine aufwendige Oberflächenvorbehandlung entfallen. Vorteilhaft ist, wenn
das Verfahren im Bereich der Solidustemperaturen des niedriger schmelzenden Fügepartners
stattfindet. Dadurch ist eine wirkungsvolle Diffusion im Bereich der Grenzlinie ermöglicht. Die
Schmelztemperaturen der keramischen Werkstoffe werden damit weit unterschritten. Nach
Erreichen der Verbindungstemperatur an der Oberfläche der zu fügenden Bauteile, die mittels
optischer Methoden kontrolliert wird, werden die Bauteile aneinander gepreßt. Gleichzeitig
erlischt auch das Plasma und die Verbindungsbildung kann unter Anwendung eines äußeren
Druckes erfolgen. Die diffusionsgesteuerte Verbindungsbildung erfolgt sofort nach Berührung
der Fügeflächen. Sobald sich diese berühren, ist eine "Plasmaheizung" nicht mehr möglich.
Durch die eingedrungenen Mikrowellen in den zu verbindenden Bauteilmaterialien findet
automatisch von da an der Vorgang der Volumenheizung statt. Die hierfür erforderliche
Resonanzanpassung kann in diesem Stadium des Verfahrens durch elektrische Einsteller
schnell und exakt erfolgen. In diesem Stadium ist keine Temperaturerhöhung mehr
erforderlich, jedoch gestattet die Volumenheizung eine gesteuerte, langsame Abkühlung, um
die im Verbund aus den unterschiedlichen Wärmedehnungen resultierenden
Eigenspannungen zu minimieren. Auch kann während des Verbindungsvorganges der
Fügeflächen der angelegte statische Druck durch ein temperatur- und zeitgesteuertes
Druckprofil verwirklicht werden.In the method according to the invention, before the actual connection process
An air gap is first set between the components to be connected. Due to the high
Field concentration in the ceramic material by coupling the microwave and by the
additional strengthening of the electric field strength by the ratio of the
Dielectric numbers between the ceramic material and air (e.g. Al₂O₂ / air = 9: 1) in the gap,
there is a field increase, so that when the resonance condition of the resonator structure is met
an electrical breakdown is generated, which leads to the formation of a stationary plasma.
The power converted in the plasma is ideally the same as that of a thin gap
introduced microwave power, which corresponds to a very high power density. this will
often favored by the fact that the materials to be joined themselves are only minor
Have absorption towards microwaves. Through this quick adjustment of the stationary
In the plasma state, the samples heat up very quickly at the joining surfaces, in particular
if the heat transfer in the materials to be joined is low, which is the case with
Ceramic materials are often the case. The higher the microwave power,
the less heat can be dissipated even in highly conductive materials (e.g. at
Connection ceramic-metal material) and the faster the required
Joining temperature reached. The energy of the plasma and therefore the temperature in the air gap
so large that the parts to be joined are heated to the joining temperature in a fraction of a second
will. The strong spatial limitation (air gap) of the high electrical field strength ensures
on the other hand also for the fact that the energy is only implemented in the connection zone
becomes. In order to achieve a fast joining, the abrupt plasma heating remains on the
Limited by a few atomic layers. If it heats up very quickly, it can
due to the relatively slow thermal conduction of many ceramic materials, no significant amount
the microwave power are withdrawn from the process. The thermal expansion is limited
thus also in the range of a few micrometers depth, so that even with brittle
ceramic materials, there is only a slight risk of thermal shock cracks
consists. The residual stress state is also kept at a low level because only
small volumes of connection formation are involved. Due to the strong cleaning effect
of the plasma, a complex surface pretreatment can be omitted. It is advantageous if
the process in the area of the solidus temperatures of the lower melting joining partner
takes place. This enables effective diffusion in the area of the boundary line. The
The melting temperatures of the ceramic materials are thus far below. After
Reaching the connection temperature on the surface of the components to be joined using
is checked by optical methods, the components are pressed together. At the same time
the plasma also goes out and the connection formation can be made using an external
Pressure. The diffusion-controlled connection is formed immediately after touching it
the joining surfaces. As soon as they touch, "plasma heating" is no longer possible.
Due to the penetration of microwaves in the component materials to be connected
From then on, the process of volume heating takes place automatically. The necessary for this
Resonance adjustment can be done at this stage of the procedure by electrical adjusters
done quickly and accurately. At this stage there is no more temperature increase
required, but the volume heating allows controlled, slow cooling to
those resulting from the different thermal expansions
To minimize residual stresses. Also during the connection process
The static pressure created by a temperature and time controlled
Pressure profile can be realized.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird anhand des nachfolgend wiedergegebenen Beispieles
näher erläutert:The method according to the invention is illustrated by the example given below
explained in more detail:
Es soll ein keramischer Werkstoff Al₂O₃ mit Kupfer (Gu) verbunden werden. Aufgeheizt
werden soll eine Schicht mit der Dicke Δx = 1 mm und einer Fügefläche dF = 1 cm². Die
erforderlichen Aufwärmzeiten ergeben sich für Al₂O₃ zu dt = 1 s und für Kupfer zu dt = 8,8 ×
10-3 s. Für eine stark verringerte Schichtdicke Δx = 0,01 mm ergibt sich eine Zeitdauer von dt
= 0,01 s für Al₂O₃ und dt = 8,8 × 10-5s für Kupfer. Letztere Zeit für Kupfer ist technisch
ungünstig, da hierzu eine zu große Mikrowellenleistung von N = 42 kW erforderlich wäre. Es
wird davon ausgegangen, daß die gesamte absorbierte Mikrowellenenergie zur Erwärmung
der zu fügenden Materialien umgesetzt wird. Verluste z. B. durch Kühlung der Oberfläche
Infolge Konvektion und Strahlung wurden vernachlässigt. Da der Anstieg der Temperatur
infolge der geringen Wärmeleitfähigkeit und der hohen Schmelztemperatur bei vielen
Keramiken besonders groß ist, erfolgt hier vorzugsweise ein Leistungsverlust z. B. durch
Strahlung zum kälteren Medium (im betrachteten Fall zum Kupfer). Dadurch nähern sich die
Temperaturverhältnisse an, was zu einem gewünschten Ausgleich der Zustandsgrößen bei
den zu fügenden Materialien führt. Da andere Materialkombinationen viel kleinere
Unterschiede in der Wärmeleitfähigkeit besitzen, sind Mikrowellenleistungen im Bereich von 10
bis 20 kW ausreichend.A ceramic material Al₂O₃ with copper (Gu) is to be connected. A layer with the thickness Δx = 1 mm and a joining surface dF = 1 cm² is to be heated. The required warm-up times result for Al₂O₃ at dt = 1 s and for copper at dt = 8.8 × 10 -3 s. For a greatly reduced layer thickness Δx = 0.01 mm, there is a time period of dt = 0.01 s for Al₂O₃ and dt = 8.8 × 10 -5 s for copper. The latter time for copper is technically unfavorable, since this would require an excessive microwave power of N = 42 kW. It is assumed that all of the microwave energy absorbed is used to heat the materials to be joined. Losses z. B. by cooling the surface Due to convection and radiation have been neglected. Since the increase in temperature due to the low thermal conductivity and the high melting temperature is particularly large in many ceramics, there is preferably a loss of power here. B. by radiation to the colder medium (in the case under consideration to copper). As a result, the temperature conditions approximate, which leads to a desired compensation of the state variables in the materials to be joined. Since other material combinations have much smaller differences in thermal conductivity, microwave outputs in the range from 10 to 20 kW are sufficient.